S135鉆桿摩擦焊焊縫區沖擊韌性低的原因

楊曉峰, 高斌強, 呂海英

(上海海隆石油鉆具有限公司, 上海 200949)

石油鉆桿是一種油田鉆井工具，是石油鉆柱的主要組成部分，鉆井過程中起著連接鉆柱、輸送泥漿和傳遞扭矩等作用，工作時承受壓縮、拉伸、扭轉、彎曲等復雜載荷，并經受強烈的振動和沖擊作用[1-3]。目前石油鉆桿均是由鉆桿接頭和管體經摩擦焊焊接而成，焊接后對焊縫區進行局部調質熱處理。研究發現，鉆桿焊縫區的低應力脆性斷裂現象最為常見，焊縫區成為整個鉆桿的薄弱區域，因此控制焊縫區的力學性能是保證鉆桿質量的關鍵，而沖擊韌性是判斷鉆桿焊縫區力學性能的關鍵指標[4-6]。某公司根據API SPEC 5DP：2009SpecificationforDrillPipe采用摩擦焊工藝生產了一批規格為φ168.30 mm×15.88 mm、鋼級為S135的PSL-3級別的鉆桿，生產后對焊縫區進行力學性能抽檢時發現3個鉆桿的焊縫區沖擊試樣韌性低，不符合要求。為找到沖擊韌性低的原因，筆者對其進行了一系列檢驗和分析。

1 沖擊試驗及結果

按照API SPEC 5DP：2009的要求,隨機取一個鉆桿抽檢該批鉆桿焊縫區的沖擊韌性，沿焊縫區縱向取3個尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，該組試樣編號為A1，試驗溫度為-20 ℃，按照ASTM E23：2018StandardTestMethodsforNotchedBarImpactTestingofMetallicMaterials的技術要求，使用 JBN-300型擺錘式沖擊試驗機進行夏比V形缺口沖擊試驗，結果見表 1。

表1 A1組試樣的沖擊韌性Tab.1 Impact toughness of A1 group samples

由表1可見，焊縫區的沖擊韌性很低，不符合API SPEC 5DP:2009的要求。根據API SPEC 5DP：2009的要求，在同一試樣上復取兩組沖擊試樣進行試驗，兩組沖擊試樣分別編號為A2和A3，結果見表2。

表2 A2和A3組試樣的沖擊韌性Tab.2 Impact toughness of A2 and A3 group samples

從試驗過程來看，試驗方法與試驗設備相同，試驗溫度均為-20 ℃，A1組試樣與復取A2，A3兩組試樣沖擊功基本相同，排除與其他試樣混淆的因素，對試樣加工尺寸及V形缺口進行檢查也符合ASTM E23：2018的要求，因此沖擊試驗本身并無問題。

從表1，2中可以看出，3組試樣沖擊功基本相同，均為20 J左右，剪切斷面率為10%，A1組沖擊試樣斷口宏觀形貌見圖1，可見斷口整體較為平坦、光亮，具有脆性斷裂特征，斷口邊緣有少量剪切唇。

圖1 A1組沖擊試樣斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of A1 group impact samples

2 理化檢驗及結果

2.1 拉伸試驗

按照API SPEC 5DP:2009的技術要求，在同一鉆桿焊縫上取直徑為12.5 mm的圓棒拉伸試樣，按照ASTM E8/E8M:2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的技術要求，采用WAW-600型電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗，結果見表3，可見焊縫區拉伸性能符合API SPEC 5DP：2009的要求，屬正常控制范圍，無異常。

表3 焊縫的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of welding seam

2.2 硬度試驗

按照API SPEC 5DP：2009的技術要求，沿鉆桿焊縫區取縱向全截面硬度試樣，在兩側熱影響區按照ASTM E18：2019StandardTestMethodsforRockwellHardnessofMetallicMaterials的要求進行洛氏硬度試驗，結果見表4，可知鉆桿焊縫區硬度符合API SPEC 5DP：2009的要求。

表4 熱影響區硬度Tab.4 Hardness of heat affected zone HRC

2.3 橫向側彎試驗

根據API SPEC 5DP：2009的技術要求對焊縫區進行橫向側彎試驗，取長度為200 mm、寬度為9.5 mm的兩個全壁厚試樣，采用38.1 mm的彎芯進行橫向側彎試驗，試樣在順時針和逆時針的兩翼彎曲形成角度不大于40°時，均無裂紋，符合標準的要求。

2.4 金相檢驗

按照GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》的技術要求，垂直于焊縫取2個縱截面金相試樣，采用GX51型金相顯微鏡對試樣進行觀察，結果見圖2。可見鉆桿接頭側、管體側的顯微組織主要為回火索氏體+少量鐵素體，且均不存在未回火馬氏體及粗大的過熱組織。鉆桿接頭側、管體側的晶粒度等級均為9.0級，高于內控標準7.0級。

圖2 焊縫區顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of welding seam zone:a) microstructure of drill pipe joint side; b) grain morphology of drill pipe joint side; c) microstructure of pipe side; d) grain morphology of pipe side

2.5 非金屬夾雜物檢驗

按照ASTM E45:2018的技術要求垂直于焊縫取縱截面試樣，采用GX51型金相顯微鏡進行非金屬夾雜物檢驗，結果見圖3和表5。可見鉆桿接頭側和焊縫區A類非金屬夾雜物含量較多，焊縫區評級為1.5級，接頭側評級為2.0級。

圖3 焊縫試樣不同位置的非金屬夾雜物形貌Fig.3 Non-metallic inclusion morphology in different positions of welding seam sample:a) welding seam zone; b) joint side; c) pipe side

表5 焊縫試樣不同位置的非金屬夾雜物檢驗結果Tab.5 Inspection results of non-metallic inclusions indifferent positions of welding seam sample

2.6 化學成分分析

按照ASTM A751：2014aStandardTestMethods,Practices,andTerminologyforChemicalAnalysisofSteelProducts的要求對鉆桿接頭及管體進行化學成分分析，結果見表6。由表6可知,鉆桿接頭硫元素含量超過API SPEC 5DP：2009的要求值，質量分數為0.016%。

表6 焊縫不同位置的化學成分(質量分數)Tab.6 Chemical compositions at different positions ofwelding seam (mass fraction) %

2.7 掃描電鏡及能譜分析

對A1組其中一個沖擊試樣斷口進行掃描電鏡(SEM)分析，圖4為沖擊試樣斷口的SEM形貌。由圖4a)和圖4b)可見，斷口呈密集溝壑狀；由圖4c)可見,有些溝壑里及細小韌窩里面存在細小的塊狀黑色物質，局部平面上存在大量塊狀的黑色物質，個別長條黑色塊狀物質長達100 mm。對這些黑色塊狀物質進行能譜(EDS)分析，結果見圖5。可見黑色塊狀物質主要組成元素為硫、錳和鐵，其質量分數分別為35.43%，36.88%，17.82%，其余元素為碳、鈣、鉻，可以推斷該黑色塊狀物質為FeS和MnS混合夾雜物。

圖4 沖擊試樣斷口不同位置的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of impact sample fracture at different positions:a) initiation zone; b) extended zone at low magnification; c) extended zone at high magnification

圖5 沖擊試樣斷口黑色塊狀物質EDS分析結果Fig.5 EDS analysis results of black block substance on fracture of impact sample

3 沖擊韌性低的原因分析

該批鉆桿焊縫試樣除沖擊韌性不合格，其余力學性能均符合API SPEC 5DP：2009的要求。焊縫兩側顯微組織為回火索氏體+少量鐵素體，不存在未回火馬氏體和粗大的過熱組織，焊縫區存在較多的A類非金屬夾雜物，細系達到1.5級。管體材料磷、硫含量較低，非金屬夾雜物等級也較低，但是鉆桿接頭材料的硫元素含量超標，質量分數為0.016%，A類非金屬夾雜物粗系達到2.0級且含量較多。通過對焊縫沖擊試樣斷口宏觀及微觀分析可以判斷，斷口處存在較多的FeS和MnS混合非金屬夾雜物。由于沖擊試樣斷口處A類非金屬夾雜物含量多，破壞了焊縫區組織的連續性，非金屬夾雜物的塑性、彈性與鋼材的有很大差別，非金屬夾雜物無法與鋼材同步塑性變形，因而在非金屬夾雜物周圍產生越來越大的應力集中，形成了弱結合面，受到沖擊力時，弱結合面處先產生裂紋，最終裂紋在焊接結合面上擴展而導致試樣斷裂，因此試樣焊縫區的非金屬夾雜物含量多會使沖擊韌性大大降低[7-9]。鉆桿接頭材料里的硫元素生成于冶煉過程，大部分硫元素成群聚集于枝晶晶界形成硫化物，熱軋管過程中的硫化物易于變形，往往呈細長紡錘形伸展分布在帶狀組織中，造成鋼材的各向異性。摩擦焊時鉆桿接頭和管體在高溫、高壓環境下進行焊接，隨著焊接面金屬的塑性流動，改變了硫化物原分布方向，由原平行于鉆桿接頭軸線方向變為平行于焊縫方向，即垂直于軸線方向，故硫化物沿焊縫分布。

該焊縫試樣由于焊縫區A類非金屬夾雜物含量多，破壞了組織的連續性，導致沖擊韌性不符合API SPEC 5DP：2009的要求，但是抗拉強度卻達到880 MPa。相關研究顯示，試樣在受拉應力時，拉應力垂直于焊縫結合面，均勻的分布在整個焊縫結合面上，因此非金屬夾雜物產生的裂紋擴展速度較緩慢[10-11]，但是試樣受沖擊力時，焊縫結合面處受不均勻的剪切應力，由非金屬夾雜物形成的裂紋擴展速度較快。因此，非金屬夾雜物形成的弱結合缺陷對焊縫試樣拉伸強度影響不大，但是對焊縫試樣的沖擊韌性影響很大。

4 結論及建議

(1) 鉆桿焊縫區沖擊韌性低，不符合API SPEC 5DP：2009的要求，是由于焊縫區A類非金屬夾雜物含量多，破壞了組織的連續性，受到沖擊力時，缺陷的弱結合面處先產生裂紋，裂紋快速擴展最終導致試樣斷裂。

(2) 鉆桿接頭材料硫元素含量高，A類非金屬夾雜物級別高、含量多，是焊縫區產生較多A類非金屬夾雜物缺陷的主要原因。

(3) 焊縫區非金屬夾雜物形成的弱結合缺陷對拉伸強度影響不大，但是對焊縫試樣的沖擊韌性影響很大。

(4) 建議鉆桿接頭入廠增加非金屬夾雜物檢驗，確保鉆桿接頭材料純凈度符合要求，從而保證鉆桿摩擦焊焊縫區性能符合標準要求。